Комбинированная ОФЭКТ и компьютерная томография для визуализации функциональности сердца
Источник: Алисия Г. Берман, Джеймс А. Шабер и Крейг Дж. Гёрген, Школа биомедицинской инженерии Уэлдона, Университет Пердью, Уэст-Лафайетт, Индиана
В э…
1. Настройка визуализации in vivo
- Откройте программное обеспечение для обработки изображений.
- Чтобы настроить компьютерную томографию, дайте рентгеновской трубке нагреться, выбрав соответствующую опцию в программном обеспечении. Система начнет нагревать трубку.
- Обезболите мышь. Чтобы мышь была без сознания, вытяните одну ногу и ущипните животное за лапу. Если у мыши не вырабатывается рефлекс отмены, животное в достаточной степени обезболивается.
- Введите мышке внутривенно радионуклид. Широко используемым радионуклидом ОФЭКТ является технеций-99m (99mTc), отчасти из-за его периода полураспада. Тем не менее, существует также много других доступных радионуклидов, которые можно использовать, включая йод-123 (123I) и индий-111 (111In).
- ждать. Радионуклиду потребуется время, чтобы распространиться по кровотоку и начать распадаться. Необходимое время зависит от используемого радионуклида и области визуализации. Для кардиологических приложений сканирование может начаться почти сразу, тогда как для опухолей время ожидания может составлять от нескольких часов до нескольких дней. В зависимости от времени проведения визуализации, мышь может либо оставаться под наркозом в течение всей процедуры, либо проснуться, а затем подвергнуться повторной анестезии, когда будет готова к визуализации.
- Поместите мышь в подстилку, расположенную на столе ОФЭКТ/КТ. Кровать должна быть оборудована трубкой для обезболивающего газа, обогревателем, а также средством контроля ЭКГ и дыхания. Во время визуализации оператор не сможет наблюдать за мышью напрямую, поэтому необходимо иметь альтернативные средства для мониторинга физиологических параметров во время визуализации (например, частоты сердечных сокращений и дыхания).
2. ОФЭКТ/КТ визуализация
- Переместите кровать (содержащую мышь) внутрь коллиматора.
- Получение одного осевого изображения мыши. Используя это пилотное изображение, задайте область интереса для вторичного сканирования.
- Определите параметры для ОФЭКТ, включая количество собранных изображений, время на изображение, режим сканирования (траекторию вращения детектора) и пошаговый режим для повышения точности изображения или увеличения скорости получения изображений.
- Чтобы настроить компьютерную томографию, дайте рентгеновской трубке нагреться, выбрав соответствующую опцию в программном обеспечении. Система начнет нагревать трубку.
- Задайте настройки для компьютерной томографии, такие как ток и напряжение в трубке, угол поворота, скорость сканирования и количество изображений, полученных при каждом угле поворота.
- Начните сбор данных. Время, необходимое для завершения сканирования, зависит от выбранных параметров сканирования, но обычно составляет 30-60 минут.
- Снимите грядку с коллиматора.
- Уберите мышь из кровати и продолжайте следить за ней, пока она не придет в сознание и не сможет нормально передвигаться.
3. Реконструкция ОФЭКТ/КТ
- Реконструкция обычно выполняется с помощью встроенного программного обеспечения. Данные КТ и ОФЭКТ могут быть реконструированы по отдельности, а затем объединены с помощью внутренней регистрации.
Комбинированная ОФЭКТ-КТ может использоваться для одновременного получения анатомической и функциональной информации о том или ином интересующем органе.
Однофотонная эмиссионная компьютерная томография, или ОФЭКТ, напрямую измеряет излучение от внутривенно введенных радиоактивных веществ с помощью гамма-камеры. Это позволяет получать неинвазивную визуализацию биологической активности, а не просто снимок органа.
В сочетании с компьютерной томографией или КТ визуализация ОФЭКТ-КТ предоставляет как метаболические данные, так и анатомическую информацию, которая может быть полезна для широкого спектра применений.
В этом видео будут проиллюстрированы основные принципы комбинированной ОФЭКТ-КТ визуализации и представлен краткий обзор того, как получаются, реконструируются и анализируются изображения ОФЭКТ-КТ.
При визуализации ОФЭКТ-КТ используются два отдельных метода визуализации, ОФЭКТ и КТ, которые объединяют как функциональную оценку, так и анатомическую информацию для улучшения общих диагностических возможностей.
При компьютерной томографии собираются множественные 2D-рентгеновские изображения для создания 3D-модели анатомии пациента или животного. Во время компьютерной томографии рентгеновские лучи излучаются из источника. По мере того, как рентгеновские лучи проходят через пациента, часть рентгеновских лучей поглощается, а оставшиеся проходят через пациента. В целом, материалы с более высокой плотностью, такие как кость, поглощают больше рентгеновских лучей, чем материалы с более низкой плотностью, такие как мягкие ткани.
Оставшиеся, непоглощенные рентгеновские лучи собираются детектором, расположенным с другой стороны от пациента, который определяет интенсивность непоглощенных рентгеновских лучей в отделениях Хаунсфилда. В результате получается 2D-изображение, называемое срезом. Затем источник рентгеновского излучения и детектор вращаются вокруг пациента для получения коллекции 2D-срезов. Затем срезы реконструируются для создания 3D-модели.
По аналогии с компьютерной томографией, ОФЭКТ представляет собой метод ядерной визуализации, при котором происходит излучение радиоактивного индикатора, который вводится пациенту. Введенный индикатор со временем распадается, испуская гамма-лучи, которые визуализируются гамма-камерой для создания 2D-изображения. Подобно компьютерной томографии, гамма-камера собирает 2D-изображения в различных местах для создания среза, который может быть реконструирован в 3D-модель.
В этом исследовании мы показываем ОФЭКТ-КТ изображение мыши. Реконструированные изображения КТ и ОФЭКТ мыши накладываются друг на друга, чтобы создать изображение, отображающее как анатомические, так и функциональные оценки, как показано цветным снимком SPECTRACE и компьютерной томографией в оттенках серого.
Теперь, когда мы рассмотрели основные принципы визуализации ОФЭКТ-КТ, давайте теперь рассмотрим протокол.
Сначала откройте системное программное обеспечение. Затем настройте компьютерную томографию так, чтобы рентгеновская трубка нагрелась, выбрав соответствующую опцию в программном обеспечении. Система начнет нагревать трубку.
Поместите мышь в индукционную камеру для анестезии и обезболите животное с помощью изофлурана. Затем перенесите мышь на настольную доску, оборудованную носовым обтекателем. Затем убедитесь, что мышь находится без сознания, используя технику сжатия пальцев ног. Затем введите мыши, находящейся под наркозом, радионуклид технеция-99m. Дождитесь, пока радионуклид распределится в кровотоке и начнет распадаться. Для кардиологических исследований сканирование может быть начато практически сразу, в то время как время ожидания визуализации опухолей может составлять от нескольких часов до нескольких дней.
Затем поместите мышь на кровать для сцены ОФЭКТ-КТ, которая оснащена датчиками ЭКГ и мониторинга дыхания. Закрепите носовой конус и запустите поток анестетика. Включите обогреватель для кровати мыши и следите за физиологическими параметрами мыши с помощью датчиков и внутренней камеры устройства.
Далее задвиньте лежанку для мыши внутрь коллиматора. Затем получите одно осевое изображение мыши в качестве эталона, чтобы определить местоположение животного в том виде, в котором оно находится во время сканирования с помощью ОФЭКТ. Используя это изображение в качестве эталонного, установите область интереса для пилотного сканирования ОФЭКТ. Это пилотное сканирование поможет пользователю определить настройки для экспериментального сканирования ОФЭКТ, включая количество собранных изображений, время на изображение, режим сканирования или траекторию вращения детектора, а также пошаговый режим для повышения точности изображения или увеличения скорости визуализации.
Затем определите параметры для компьютерной томографии, такие как ток и напряжение трубки, угол поворота, скорость сканирования и количество изображений, полученных под каждым углом поворота. Наконец, начните сбор данных, нажав кнопку запуска сбора. Продолжительность сканирования зависит от параметров сканирования, но обычно составляет от 30 до 60 минут.
После завершения сканирования снимите ложе с коллиматора и снимите мышь с кровати. Следите за мышью до тех пор, пока она не придет в сознание и не сможет нормально передвигаться. Собранные изображения ОФЭКТ и КТ теперь можно реконструировать по отдельности, а затем объединить с помощью встроенного программного обеспечения.
Теперь рассмотрим результаты ОФЭКТ-КТ визуализации.
На этом рисунке показана репрезентативная комбинированная ОФЭКТ-КТ, полученная с помощью индикатора основания технеция-99m у мыши. Комбинированное сканирование ОФЭКТ-КТ отображает данные ОФЭКТ в оттенках от желтого до оранжевого на рисунке, наложенном на данные КТ, отображаемых оттенками серого.
В пределах данных ОФЭКТ степень физиологической активности демонстрируется интенсивностью цвета. Таким образом, области желтого цвета проявляют большую активность, чем области оранжевого.
Теперь давайте рассмотрим, как методы ядерной медицины используются для получения более точных данных визуализации и улучшения медицинской диагностики.
При скрининге рака радиоактивный индикатор используется для избирательного нацеливания на определенный рецептор клеточной поверхности, обнаруженный в опухолях. Поглощение радиоактивного индикатора на изображении ОФЭКТ-КТ указывает на наличие опухоли.
Интегрированная ПЭТ-МРТ является еще одним гибридным методом визуализации, используемым для диагностики заболеваний и мониторинга лечения, поскольку он обеспечивает как высокий контраст мягких тканей, так и метаболическую информацию. Области с высоким контрастом указывают на поглощение меченого радиоактивным индикатором и могут указывать на метастазирование при скрининге рака. Эти объединенные изображения ПЭТ и МРТ показывают множественные гиперметаболические легочные метастазы и метастазы в выходной тракт сердца правого желудочка.
Для измерения эффективности новых стратегий лечения инфаркта миокарда требуется оценка острой стадии, а также отдаленного исхода. Внутривенные контрастные вещества вводятся для последовательной ПЭТ-МРТ визуализации сердца мыши. Процедура МРТ обычно занимает 30 минут, а ПЭТ-сканирование длится 45 минут. Это имеет важное значение при оценке новых методов лечения, поскольку временной ход может быть неизвестен. Увеличенные участки на МРТ представляют собой нежизнеспособную ткань и соответствуют областям со сниженным поглощением ФДГ, что указывает на потенциальную коронарную блокаду или инфаркт.
Вы только что посмотрели статью JoVE «Введение в комбинированную однофотонную эмиссионную компьютерную томографию и компьютерную томографию». Теперь вы должны знать, как настроить параметры ОФЭКТ и КТ, выполнить комбинированное сканирование и проанализировать изображение. Вы также должны знать, как ядерная визуализация используется в биомедицинских приложениях. Спасибо за просмотр!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the main advantage of combining SPECT and CT imaging?
Combined SPECT-CT imaging provides both functional and anatomical information simultaneously. SPECT measures metabolic activity via injected radioactive tracers, while CT creates detailed anatomical images using X-rays. This hybrid approach improves diagnostic ability by showing where biological activity occurs within the body's precise anatomical structure.
Q2: How does SPECT imaging differ from CT imaging in terms of data collection?
SPECT directly measures radiation emitted from an injected radioactive tracer using a gamma camera, capturing functional biological activity. CT collects multiple 2D X-ray images as the source and detector rotate around the patient, with X-rays absorbed differently by tissues based on density. Both modalities acquire 2D slices that are reconstructed into 3D models.
Q3: What role do physiological monitoring sensors play during SPECT-CT scanning?
ECG and respiration monitoring sensors track the animal's vital functions during imaging. These sensors, along with the device's internal camera, allow operators to continuously monitor physiological parameters and ensure the subject remains stable throughout the 30 to 60-minute scan. This monitoring is essential for maintaining data quality and animal safety during the procedure.
Q4: How are SPECT and CT images combined to create a final diagnostic image?
Individual SPECT and CT images are first reconstructed separately using built-in software to create 3D datasets. The reconstructed images are then overlaid, with SPECT data displayed in color gradients (yellow to orange indicating activity intensity) and CT data shown in grayscale. This merged visualization displays both metabolic function and anatomical structure in a single image.
Q5: Why is timing important when injecting a radionuclide tracer for SPECT-CT imaging?
The timing depends on the clinical application. For cardiac imaging, scans can begin almost immediately after injection because the tracer quickly distributes in the bloodstream. For tumor imaging, wait times may extend several hours to days to allow selective tracer uptake in target tissues. Proper timing ensures optimal tracer distribution and image quality for the specific diagnostic goal.
Q6: What information does color intensity convey in a SPECT-CT image?
Color intensity in SPECT data directly represents the degree of physiological activity in tissues. Yellow areas indicate higher metabolic activity or greater tracer uptake, while orange areas show lower activity. This color gradient allows clinicians to visually identify regions of abnormal metabolism, such as tumors or areas of reduced blood flow, overlaid on the precise anatomical context provided by CT.
Q7: How does SPECT compare to PET in terms of cost and image resolution?
SPECT has lower spatial resolution than PET because it detects single gamma photons directly, whereas PET detects two gamma photons emitted in opposite directions. However, SPECT is less expensive because its radioactive isotopes, such as technetium-99m, are more readily available than PET isotopes. Despite lower resolution, SPECT-CT provides clinically useful metabolic and anatomical information for many diagnostic applications.